Radiația caracteristică cu raze X: descriere, acțiune, caracteristici. Efectul radiațiilor cu raze X asupra oamenilor Radiațiile cu raze X și utilizarea acesteia în medicină

Razele X sunt un tip de radiație electromagnetică de înaltă energie. Este utilizat în mod activ în diferite ramuri ale medicinei.

Razele X sunt unde electromagnetice a căror energie fotonică pe scara undelor electromagnetice se află între radiația ultravioletă și radiația gamma (de la ~10 eV la ~1 MeV), care corespunde lungimilor de undă de la ~10^3 la ~10^-2 angstromi (de la ~10^3 la ~10^-2 angstromi). ~10^−7 până la ~10^−12 m). Adică, este o radiație incomparabil mai dură decât lumina vizibilă, care se află la această scară între razele ultraviolete și infraroșii („termice”).

Limita dintre razele X și radiațiile gamma se distinge condiționat: intervalele lor se intersectează, razele gamma pot avea o energie de 1 keV. Ele diferă ca origine: razele gamma sunt emise în timpul proceselor care au loc în nucleele atomice, în timp ce razele X sunt emise în timpul proceselor care implică electroni (atât liberi, cât și cei aflați în învelișurile de electroni ale atomilor). În același timp, este imposibil să se determine din fotonul însuși în timpul procesului care a apărut, adică împărțirea în intervalele de raze X și gamma este în mare măsură arbitrară.

Gama de raze X este împărțită în „raze X moi” și „dure”. Granița dintre ele se află la o lungime de undă de 2 angstromi și 6 keV de energie.

Un generator de raze X este un tub în care se creează un vid. Există electrozi amplasați acolo - un catod, căruia i se aplică o sarcină negativă și un anod încărcat pozitiv. Tensiunea dintre ele este de la zeci până la sute de kilovolți. Generarea fotonilor cu raze X are loc atunci când electronii „se desprind” din catod și se lovesc de suprafața anodului la viteză mare. Radiația de raze X rezultată se numește „bremsstrahlung”; fotonii săi au lungimi de undă diferite.

În același timp, sunt generați fotoni din spectrul caracteristic. Unii dintre electronii din atomii substanței anodice sunt excitați, adică se deplasează pe orbite superioare, apoi revin la starea lor normală, emițând fotoni de o anumită lungime de undă. Într-un generator standard, sunt produse ambele tipuri de radiații cu raze X.

Istoria descoperirii

La 8 noiembrie 1895, omul de știință german Wilhelm Conrad Roentgen a descoperit că anumite substanțe au început să strălucească atunci când sunt expuse la „razele catodice”, adică un flux de electroni generat de un tub catodic. El a explicat acest fenomen prin influența anumitor raze X - așa se numește această radiație acum în multe limbi. Mai târziu, V.K. Roentgen a studiat fenomenul pe care l-a descoperit. La 22 decembrie 1895, a dat un raport pe această temă la Universitatea din Würzburg.

Mai târziu s-a dovedit că radiațiile cu raze X au fost observate mai devreme, dar apoi fenomenelor asociate cu aceasta nu li s-a acordat prea multă importanță. Tubul catodic a fost inventat cu mult timp în urmă, dar înainte de V.K. Nimeni nu a acordat prea multă atenție razelor X despre înnegrirea plăcilor fotografice din apropierea ei etc. fenomene. De asemenea, nu se cunoștea pericolul reprezentat de radiațiile penetrante.

Tipuri și efectele lor asupra organismului

„Raze X” este cel mai blând tip de radiație penetrantă. Expunerea excesivă la raze X moi seamănă cu efectele radiațiilor ultraviolete, dar într-o formă mai severă. Pe piele se formează o arsură, dar daunele sunt mai profunde și se vindecă mult mai lent.

Raze X dure sunt o radiație ionizantă cu drepturi depline care poate duce la boala radiațiilor. Quantele de raze X pot sparge moleculele de proteine ​​care alcătuiesc țesuturile corpului uman, precum și moleculele de ADN ale genomului. Dar chiar dacă cuantumul de raze X descompune o moleculă de apă, nu are nicio diferență: în acest caz, se formează radicalii liberi activi chimic H și OH, care ei înșiși sunt capabili să afecteze proteinele și ADN-ul. Boala de radiații apare într-o formă mai severă, cu atât organele hematopoietice sunt mai afectate.

Razele X au activitate mutagenă și cancerigenă. Aceasta înseamnă că probabilitatea de mutații spontane în celule în timpul iradierii crește și, uneori, celulele sănătoase pot degenera în celule canceroase. O probabilitate crescută a tumorilor maligne este o consecință standard a oricărei expuneri la radiații, inclusiv la raze X. Razele X sunt cel mai puțin periculos tip de radiație penetrantă, dar pot fi totuși periculoase.

Radiația cu raze X: aplicație și cum funcționează

Radiațiile cu raze X sunt utilizate în medicină, precum și în alte domenii ale activității umane.

Fluoroscopie și tomografie computerizată

Cea mai frecventă utilizare a razelor X este fluoroscopia. „Razele X” ale corpului uman vă permit să obțineți o imagine detaliată a ambelor oase (sunt vizibile cel mai clar) și imagini ale organelor interne.

Transparența diferită a țesuturilor corpului în raze X este asociată cu compoziția lor chimică. Caracteristicile structurale ale oaselor sunt că acestea conțin mult calciu și fosfor. Alte țesuturi constau în principal din carbon, hidrogen, oxigen și azot. Un atom de fosfor cântărește aproape de două ori mai mult decât un atom de oxigen, iar un atom de calciu de 2,5 ori (carbonul, azotul și hidrogenul sunt chiar mai ușori decât oxigenul). În acest sens, absorbția fotonilor de raze X în oase este mult mai mare.

Pe lângă „imaginile” bidimensionale, radiografia face posibilă crearea unei imagini tridimensionale a unui organ: acest tip de radiografie se numește tomografie computerizată. În aceste scopuri, se folosesc raze X moi. Cantitatea de radiație primită de la o imagine este mică: este aproximativ egală cu radiația primită în timpul unui zbor de 2 ore într-un avion la o altitudine de 10 km.

Detectarea defectelor cu raze X vă permite să detectați defecte interne minore ale produselor. Utilizează raze X dure, deoarece multe materiale (metal, de exemplu) sunt slab „transparente” din cauza masei atomice mari a substanței lor constitutive.

Analiza difracției cu raze X și fluorescenței cu raze X

Razele X au proprietăți care le permit să examineze atomi individuali în detaliu. Analiza difracției cu raze X este utilizată în mod activ în chimie (inclusiv biochimie) și cristalografie. Principiul funcționării sale este împrăștierea prin difracție a razelor X pe atomii de cristale sau molecule complexe. Folosind analiza de difracție cu raze X, a fost determinată structura moleculei de ADN.

Analiza fluorescenței cu raze X vă permite să determinați rapid compoziția chimică a unei substanțe.

Există multe forme de radioterapie, dar toate implică utilizarea radiațiilor ionizante. Radioterapia este împărțită în 2 tipuri: corpusculară și ondulatorie. Corpuscular folosește fluxuri de particule alfa (nuclee de atomi de heliu), particule beta (electroni), neutroni, protoni și ioni grei. Unda folosește raze din spectrul electromagnetic - raze X și gamma.

Metodele de radioterapie sunt utilizate în primul rând pentru tratamentul cancerului. Cert este că radiațiile afectează în primul rând celulele care se divizează activ, motiv pentru care organele hematopoietice suferă atât de mult (celulele lor se divid în mod constant, producând tot mai multe globule roșii noi). De asemenea, celulele canceroase se divid în mod constant și sunt mai vulnerabile la radiații decât țesutul sănătos.

Este utilizat un nivel de radiație care suprimă activitatea celulelor canceroase, având în același timp un efect moderat asupra celulelor sănătoase. Sub influența radiațiilor, nu distrugerea celulelor ca atare are loc, ci deteriorarea genomului lor - moleculele de ADN. O celulă cu genomul distrus poate exista de ceva timp, dar nu se mai poate diviza, adică creșterea tumorii se oprește.

Terapia cu raze X este cea mai ușoară formă de radioterapie. Radiația ondulatorie este mai blândă decât radiația corpusculară, iar razele X sunt mai blânde decât radiațiile gamma.

În timpul sarcinii

Utilizarea radiațiilor ionizante în timpul sarcinii este periculoasă. Razele X sunt mutagene și pot cauza probleme la făt. Terapia cu raze X este incompatibilă cu sarcina: poate fi folosită doar dacă s-a decis deja avortul. Restricțiile la fluoroscopie sunt mai blânde, dar în primele luni este și strict interzisă.

Dacă este absolut necesar, examinarea cu raze X este înlocuită cu imagistica prin rezonanță magnetică. Dar și în primul trimestru încearcă să o evite (această metodă a apărut recent și putem spune cu absolută certitudine că nu există consecințe dăunătoare).

Un pericol clar apare atunci când este expus la o doză totală de cel puțin 1 mSv (în unități vechi - 100 mR). Cu o radiografie simplă (de exemplu, atunci când este supus fluorografiei), pacientul primește de aproximativ 50 de ori mai puțin. Pentru a primi o astfel de doză la un moment dat, trebuie să faceți o tomografie computerizată detaliată.

Adică, faptul că o „radiografie” de 1-2 x în sine într-un stadiu incipient al sarcinii nu amenință consecințe grave (dar este mai bine să nu riști).

Tratament cu ea

Razele X sunt folosite în primul rând în lupta împotriva tumorilor maligne. Această metodă este bună pentru că este foarte eficientă: ucide tumora. Este rău prin faptul că țesuturile sănătoase se descurcă puțin mai bine și există numeroase efecte secundare. Organele hematopoietice sunt în special în pericol.

În practică, se folosesc diverse metode pentru a reduce impactul razelor X asupra țesutului sănătos. Razele sunt îndreptate într-un unghi, astfel încât tumora să se afle în zona de intersecție a acestora (din acest motiv, absorbția principală a energiei are loc chiar acolo). Uneori, procedura se efectuează în mișcare: corpul pacientului se rotește în raport cu sursa de radiații în jurul unei axe care trece prin tumoră. În acest caz, țesuturile sănătoase se află în zona de iradiere doar ocazional, iar țesuturile bolnave sunt expuse constant.

Razele X sunt utilizate în tratamentul anumitor artroze și boli similare, precum și a bolilor de piele. În acest caz, sindromul durerii este redus cu 50-90%. Deoarece radiațiile utilizate sunt mai blânde, nu se observă efecte secundare similare cu cele care apar în tratamentul tumorilor.

Diagnosticul medical modern și tratamentul anumitor boli nu pot fi imaginate fără dispozitive care utilizează proprietățile radiațiilor cu raze X. Descoperirea razelor X a avut loc în urmă cu mai bine de 100 de ani, dar și acum se lucrează în continuare la crearea de noi tehnici și dispozitive pentru a minimiza efectele negative ale radiațiilor asupra corpului uman.

Cine a descoperit razele X și cum?

În condiții naturale, fluxurile de raze X sunt rare și sunt emise doar de anumiți izotopi radioactivi. Razele X sau razele X au fost descoperite abia în 1895 de omul de știință german Wilhelm Röntgen. Această descoperire a avut loc întâmplător, în timpul unui experiment de studiere a comportamentului razelor de lumină în condiții apropiate de vid. Experimentul a implicat un tub catodic cu descărcare în gaz cu presiune redusă și un ecran fluorescent, care de fiecare dată a început să strălucească în momentul în care tubul a început să funcționeze.

Interesat de efectul ciudat, Roentgen a efectuat o serie de studii care arată că radiația rezultată, invizibilă pentru ochi, este capabilă să pătrundă prin diverse obstacole: hârtie, lemn, sticlă, unele metale și chiar prin corpul uman. În ciuda lipsei de înțelegere a naturii însăși a ceea ce se întâmplă, indiferent dacă un astfel de fenomen este cauzat de generarea unui flux de particule sau unde necunoscute, a fost observat următorul model - radiația trece cu ușurință prin țesuturile moi ale corpului și mult mai greu prin tesuturile dure vii si substantele nevii.

Roentgen nu a fost primul care a studiat acest fenomen. La mijlocul secolului al XIX-lea, posibilități similare au fost explorate de francezul Antoine Mason și de englezul William Crookes. Cu toate acestea, Roentgen a fost primul care a inventat un tub catodic și un indicator care ar putea fi folosit în medicină. A fost primul care a publicat o lucrare științifică, ceea ce i-a adus titlul de primul laureat al Nobel printre fizicieni.

În 1901, a început o colaborare fructuoasă între trei oameni de știință, care au devenit părinții fondatori ai radiologiei și radiologiei.

Proprietățile razelor X

Razele X sunt o componentă a spectrului general al radiațiilor electromagnetice. Lungimea de undă se află între razele gamma și ultraviolete. Razele X au toate proprietățile obișnuite ale undelor:

• difracţie;
• refracţie;
• interferență;
• viteza de propagare (este egală cu lumina).

Pentru a genera artificial un flux de raze X, se folosesc dispozitive speciale - tuburi de raze X. Radiația cu raze X apare din cauza contactului electronilor rapizi din wolfram cu substanțele care se evaporă din anodul fierbinte. Pe fondul interacțiunii apar unde electromagnetice de scurtă lungime, situate în spectrul de la 100 la 0,01 nm și în domeniul energetic de 100-0,1 MeV. Dacă lungimea de undă a razelor este mai mică de 0,2 nm, aceasta este radiație dure; dacă lungimea de undă este mai mare decât această valoare, ele se numesc raze X moi.

Este semnificativ faptul că energia cinetică rezultată din contactul electronilor cu substanța anodică este transformată în proporție de 99% în energie termică și doar 1% sunt raze X.

Radiația cu raze X – bremsstrahlung și caracteristică

Radiația X este o suprapunere a două tipuri de raze - bremsstrahlung și caracteristică. Ele sunt generate în tub simultan. Prin urmare, iradierea cu raze X și caracteristicile fiecărui tub de raze X specific - spectrul său de radiații - depind de acești indicatori și reprezintă suprapunerea acestora.

Bremsstrahlung sau razele X continue sunt rezultatul decelerării electronilor evaporați dintr-un filament de wolfram.

Razele X caracteristice sau liniare se formează în momentul restructurării atomilor substanței anodului tubului de raze X. Lungimea de undă a razelor caracteristice depinde direct de numărul atomic al elementului chimic folosit pentru realizarea anodului tubului.

Proprietățile enumerate ale razelor X le permit să fie utilizate în practică:

• invizibilitate pentru ochii obișnuiți;
• capacitate mare de penetrare prin țesuturi vii și materiale nevii care nu transmit raze din spectrul vizibil;
• efect de ionizare asupra structurilor moleculare.

Principiile imagistică cu raze X

Proprietățile razelor X pe care se bazează imagistica este capacitatea fie de a se descompune, fie de a provoca strălucirea anumitor substanțe.

Iradierea cu raze X provoacă o strălucire fluorescentă în sulfurile de cadmiu și zinc - verde, iar în tungstat de calciu - albastru. Această proprietate este utilizată în tehnicile medicale de imagistică cu raze X și, de asemenea, crește funcționalitatea ecranelor cu raze X.

Efectul fotochimic al razelor X asupra materialelor fotosensibile cu halogenură de argint (expunerea) permite diagnosticarea - realizarea de fotografii cu raze X. Această proprietate este utilizată și la măsurarea dozei totale primite de asistenții de laborator în camerele cu raze X. Dozimetrele corporale conțin benzi și indicatoare sensibile speciale. Efectul ionizant al radiațiilor X face posibilă determinarea caracteristicilor calitative ale razelor X rezultate.

O singură expunere la radiațiile de la raze X convenționale crește riscul de cancer cu doar 0,001%.

Zonele în care sunt utilizate razele X

Utilizarea razelor X este permisă în următoarele industrii:

1. Siguranță. Dispozitive staționare și portabile pentru detectarea articolelor periculoase și interzise în aeroporturi, vamă sau în locuri aglomerate.
2. Industria chimică, metalurgie, arheologie, arhitectură, construcții, lucrări de restaurare - pentru a detecta defectele și a efectua analize chimice ale substanțelor.
3. Astronomie. Ajută la observarea corpurilor și fenomenelor cosmice folosind telescoape cu raze X.
4. Industria militară. Pentru a dezvolta arme cu laser.

Aplicația principală a radiațiilor X este în domeniul medical. Astăzi, secția de radiologie medicală cuprinde: radiodiagnostic, radioterapie (terapie cu raze X), radiochirurgie. Universitățile de medicină absolvă specialiști de înaltă specializare – radiologi.

Radiații X - daune și beneficii, efecte asupra organismului

Puterea mare de penetrare și efectul ionizant al razelor X pot provoca modificări în structura ADN-ului celular și, prin urmare, reprezintă un pericol pentru oameni. Daunele de la razele X sunt direct proporționale cu doza de radiații primită. Diferitele organe răspund la radiații în grade diferite. Cele mai sensibile includ:

• măduva osoasă și țesutul osos;
• cristalinul ochiului;
• glanda tiroida;
• glandele mamare și reproducătoare;
• țesut pulmonar.

Utilizarea necontrolată a iradierii cu raze X poate provoca patologii reversibile și ireversibile.

Consecințele iradierii cu raze X:

• afectarea măduvei osoase și apariția patologiilor sistemului hematopoietic - eritrocitopenie, trombocitopenie, leucemie;
• deteriorarea cristalinului, cu dezvoltarea ulterioară a cataractei;
• mutații celulare care sunt moștenite;
• dezvoltarea cancerului;
• primind arsuri de radiații;
• dezvoltarea bolii radiațiilor.

Important! Spre deosebire de substanțele radioactive, razele X nu se acumulează în țesuturile corpului, ceea ce înseamnă că razele X nu trebuie îndepărtate din organism. Efectul nociv al radiațiilor X se termină atunci când dispozitivul medical este oprit.

Utilizarea radiațiilor cu raze X în medicină este permisă nu numai pentru diagnostic (traumatologie, stomatologie), ci și în scopuri terapeutice:

• Razele X în doze mici stimulează metabolismul în celulele și țesuturile vii;
• anumite doze limitative sunt folosite pentru tratamentul neoplasmelor oncologice si benigne.

Metode de diagnosticare a patologiilor cu raze X

Radiodiagnosticul include următoarele tehnici:

1. Fluoroscopia este un studiu în timpul căruia se obține o imagine pe un ecran fluorescent în timp real. Odată cu achiziția clasică a unei imagini a unei părți a corpului în timp real, astăzi există tehnologii de transiluminare a televiziunii cu raze X - imaginea este transferată de pe un ecran fluorescent pe un monitor de televiziune situat într-o altă cameră. Au fost dezvoltate mai multe metode digitale pentru procesarea imaginii rezultate, urmate de transferarea acesteia de pe ecran pe hârtie.
2. Fluorografia este cea mai ieftină metodă de examinare a organelor toracice, care constă în luarea unei imagini la scară redusă de 7x7 cm. În ciuda probabilității de eroare, este singura modalitate de a efectua o examinare anuală în masă a populației. Metoda nu este periculoasă și nu necesită îndepărtarea dozei de radiații primite din organism.
3. Radiografia este producerea unei imagini rezumative pe film sau hârtie pentru a clarifica forma unui organ, poziția sau tonul acestuia. Poate fi folosit pentru a evalua peristaltismul și starea membranelor mucoase. Dacă există o alegere, atunci, printre dispozitivele moderne cu raze X, nu ar trebui să se acorde preferință nici dispozitivelor digitale, unde fluxul de raze X poate fi mai mare decât cel al dispozitivelor vechi, ci dispozitivelor cu raze X cu doză mică cu semiconductor plat direct. detectoare. Acestea vă permit să reduceți sarcina asupra corpului de 4 ori.
4. Tomografia computerizată cu raze X este o tehnică care utilizează raze X pentru a obține numărul necesar de imagini ale secțiunilor unui organ selectat. Printre numeroasele varietăți de dispozitive CT moderne, tomografiile computerizate cu doze mici de înaltă rezoluție sunt folosite pentru o serie de studii repetate.

Radioterapie

Terapia cu raze X este o metodă de tratament local. Cel mai adesea, metoda este folosită pentru a distruge celulele canceroase. Deoarece efectul este comparabil cu îndepărtarea chirurgicală, această metodă de tratament este adesea numită radiochirurgie.

Astăzi, tratamentul cu raze X se efectuează în următoarele moduri:

1. Extern (terapie cu protoni) – un fascicul de radiații intră în corpul pacientului din exterior.
2. Internă (brahiterapie) - utilizarea capsulelor radioactive prin implantarea lor în corp, plasându-le mai aproape de tumora canceroasă. Dezavantajul acestei metode de tratament este că până când capsula este îndepărtată din corp, pacientul trebuie izolat.

Aceste metode sunt blânde, iar utilizarea lor este de preferat chimioterapiei în unele cazuri. Această popularitate se datorează faptului că razele nu se acumulează și nu necesită îndepărtarea din organism; au un efect selectiv, fără a afecta alte celule și țesuturi.

Limită de expunere sigură la raze X

Acest indicator al normei de expunere anuală admisă are propriul nume - doză echivalentă semnificativă genetic (GSD). Acest indicator nu are valori cantitative clare.

1. Acest indicator depinde de vârsta pacientului și de dorința de a avea copii în viitor.
2. Depinde de ce organe au fost examinate sau tratate.
3. GZD este influențată de nivelul fondului radioactiv natural din regiunea în care locuiește o persoană.

Astăzi sunt în vigoare următoarele standarde medii GZD:

• nivelul de expunere din toate sursele, cu excepția celor medicale, și fără a ține cont de radiația naturală de fond - 167 mrem pe an;
• norma pentru un examen medical anual nu este mai mare de 100 mrem pe an;
• valoarea totală de siguranță este de 392 mrem pe an.

Radiațiile cu raze X nu necesită îndepărtarea din organism și sunt periculoase doar în cazul expunerii intense și prelungite. Echipamentul medical modern utilizează iradiere cu energie scăzută de scurtă durată, astfel încât utilizarea sa este considerată relativ inofensivă.

Radiologia este o ramură a radiologiei care studiază efectele radiațiilor cu raze X asupra organismului animalelor și oamenilor rezultate din această boală, tratamentul și prevenirea acestora, precum și metodele de diagnosticare a diferitelor patologii cu ajutorul razelor X (diagnostic cu raze X) . Un aparat de diagnosticare cu raze X obișnuit include un dispozitiv de alimentare cu energie (transformatoare), un redresor de înaltă tensiune care convertește curentul alternativ din rețeaua electrică în curent continuu, un panou de control, un suport și un tub de raze X.

Razele X sunt un tip de oscilații electromagnetice care se formează într-un tub cu raze X în timpul unei decelerații bruște a electronilor accelerați în momentul ciocnirii lor cu atomii substanței anodice. În prezent, punctul de vedere general acceptat este că razele X, prin natura lor fizică, sunt unul dintre tipurile de energie radiantă, al cărei spectru include, de asemenea, undele radio, razele infraroșii, lumina vizibilă, razele ultraviolete și razele gama radioactive. elemente. Radiația cu raze X poate fi caracterizată ca o colecție a celor mai mici particule ale sale - cuante sau fotoni.

Orez. 1 - unitate mobilă de raze X:

A - tub cu raze X;
B - dispozitiv de alimentare;
B - trepied reglabil.

Orez. 2 - Panou de control al aparatului cu raze X (mecanic - în stânga și electronic - în dreapta):

A - panou pentru reglarea expunerii și durității;
B - buton de alimentare de înaltă tensiune.

Orez. 3 - schema bloc a unui aparat de raze X tipic

1 - retea;
2 - autotransformator;
3 - transformator step-up;
4 - tub cu raze X;
5 - anod;
6 - catod;
7 - transformator coborâtor.

Mecanismul de generare a razelor X

Razele X se formează în momentul ciocnirii unui flux de electroni accelerați cu substanța anodică. Când electronii interacționează cu o țintă, 99% din energia lor cinetică este convertită în energie termică și doar 1% în radiație de raze X.

Un tub cu raze X este format dintr-un cilindru de sticlă în care sunt lipiți 2 electrozi: un catod și un anod. Aerul a fost pompat din balonul de sticlă: mișcarea electronilor de la catod la anod este posibilă numai în condiții de vid relativ (10 -7 -10 -8 mm Hg). Catodul are un filament, care este o spirală de tungsten strâns răsucită. Atunci când curentul electric este aplicat filamentului, are loc emisia de electroni, în care electronii sunt separați de filament și formează un nor de electroni în apropierea catodului. Acest nor este concentrat la cupa de focalizare a catodului, care stabilește direcția mișcării electronilor. Cupa este o mică depresiune în catod. Anodul, la rândul său, conține o placă metalică de wolfram pe care sunt concentrați electronii - aici sunt produse razele X.

Orez. 4 - Dispozitiv cu tub cu raze X:

A - catod;
B - anod;
B - filament de wolfram;
G - cupa de focalizare a catodului;
D - fluxul de electroni accelerați;
E - tinta tungsten;
F - balon de sticlă;
Z - fereastră din beriliu;
Și - formate raze X;
K - filtru din aluminiu.

Există 2 transformatoare conectate la tubul electronic: un step-down și unul step-up. Un transformator coborâtor încălzește bobina de tungsten cu tensiune joasă (5-15 volți), rezultând emisia de electroni. Un transformator de înaltă tensiune se potrivește direct la catod și anod, care sunt alimentate cu o tensiune de 20-140 kilovolți. Ambele transformatoare sunt plasate în blocul de înaltă tensiune al aparatului cu raze X, care este umplut cu ulei de transformator, care asigură răcirea transformatoarelor și izolarea fiabilă a acestora.

După ce s-a format un nor de electroni folosind un transformator coborâtor, transformatorul crescător este pornit și se aplică o tensiune de înaltă tensiune la ambii poli ai circuitului electric: un impuls pozitiv la anod și un impuls negativ. la catod. Electronii încărcați negativ sunt respinși din catodul încărcat negativ și tind spre anodul încărcat pozitiv - datorită acestei diferențe de potențial, se realizează o viteză mare de mișcare - 100 mii km/s. La această viteză, electronii bombardează placa de tungsten a anodului, completând un circuit electric, rezultând raze X și energie termică.

Radiația cu raze X este împărțită în bremsstrahlung și caracteristică. Bremsstrahlung apare din cauza unei încetiniri accentuate a vitezei electronilor emiși de o spirală de tungsten. Radiația caracteristică apare în momentul restructurării învelișurilor electronice ale atomilor. Ambele tipuri se formează în tubul cu raze X în momentul ciocnirii electronilor accelerați cu atomii substanței anodice. Spectrul de emisie al unui tub de raze X este o suprapunere a bremsstrahlung și a razelor X caracteristice.

Orez. 5 - principiul formării radiației de raze X bremsstrahlung.
Orez. 6 - principiul formării radiațiilor caracteristice cu raze X.

Proprietățile de bază ale radiației cu raze X

1. Razele X sunt invizibile pentru ochi.
2. Radiația cu raze X are o mare capacitate de penetrare prin organele și țesuturile unui organism viu, precum și structuri dense de natură neînsuflețită care nu transmit raze de lumină vizibile.
3. Razele X fac ca anumiți compuși chimici să strălucească, numiti fluorescență.

• Sulfurile de zinc și cadmiu au fluorescentă galben-verde,
• Cristalele de tungstat de calciu sunt de culoare violet-albastru.

Razele X au un efect fotochimic: descompun compușii de argint cu halogeni și provoacă înnegrirea straturilor fotografice, formând o imagine pe o radiografie.

Razele X își transferă energia către atomii și moleculele mediului prin care trec, manifestând un efect ionizant.

Radiațiile cu raze X au un efect biologic pronunțat în organele și țesuturile iradiate: în doze mici stimulează metabolismul, în doze mari poate duce la dezvoltarea leziunilor radiațiilor, precum și a bolii acute de radiații. Această proprietate biologică permite utilizarea radiațiilor cu raze X pentru tratamentul tumorilor și a unor boli non-tumorale.

Scală de vibrații electromagnetice

Razele X au o lungime de undă și o frecvență de vibrație specifice. Lungimea de undă (λ) și frecvența de oscilație (ν) sunt legate prin relația: λ ν = c, unde c este viteza luminii, rotunjită la 300.000 km pe secundă. Energia razelor X este determinată de formula E = h ν, unde h este constanta lui Planck, o constantă universală egală cu 6,626 10 -34 J⋅s. Lungimea de undă a razelor (λ) este legată de energia lor (E) prin raportul: λ = 12,4 / E.

Radiația cu raze X diferă de alte tipuri de oscilații electromagnetice în lungime de undă (vezi tabel) și energie cuantică. Cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât frecvența, energia și puterea de penetrare sunt mai mari. Lungimea de undă a razelor X este în interval

. Prin modificarea lungimii de undă a radiației X, capacitatea sa de penetrare poate fi ajustată. Razele X au o lungime de undă foarte scurtă, dar o frecvență mare de oscilație și, prin urmare, sunt invizibile pentru ochiul uman. Datorită energiei lor enorme, quantele au o mare putere de penetrare, care este una dintre principalele proprietăți care asigură utilizarea radiațiilor X în medicină și alte științe.

Caracteristicile radiațiilor X

Intensitate- o caracteristică cantitativă a radiației cu raze X, care se exprimă prin numărul de raze emise de tub pe unitatea de timp. Intensitatea radiației X se măsoară în miliamperi. Comparând-o cu intensitatea luminii vizibile de la o lampă incandescentă convențională, putem face o analogie: de exemplu, o lampă de 20 de wați va străluci cu o intensitate sau o putere, iar o lampă de 200 de wați va străluci cu alta, în timp ce calitatea luminii în sine (spectrul acesteia) este aceeași. Intensitatea unei radiografii este în esență cantitatea acesteia. Fiecare electron creează una sau mai multe cuante de radiație la anod, prin urmare, numărul de raze X la expunerea unui obiect este reglat prin modificarea numărului de electroni care tind spre anod și a numărului de interacțiuni ale electronilor cu atomii țintei de tungsten. , care se poate face în două moduri:

1. Prin modificarea gradului de încălzire a spiralei catodice folosind un transformator coborâtor (numărul de electroni generați în timpul emisiei va depinde de cât de fierbinte este spirala de wolfram, iar numărul de cuante de radiație va depinde de numărul de electroni);
2. Prin modificarea mărimii tensiunii înalte furnizate de un transformator step-up către polii tubului - catodul și anodul (cu cât tensiunea este mai mare pe polii tubului, cu atât electronii primesc mai multă energie cinetică, ceea ce , datorită energiei lor, pot interacționa la rândul lor cu mai mulți atomi ai substanței anodice - vezi. orez. 5; electronii cu energie scăzută vor putea intra în mai puține interacțiuni).

Intensitatea razelor X (curentul anodului) înmulțită cu timpul de expunere (timpul de funcționare al tubului) corespunde expunerii la raze X, care se măsoară în mAs (miliamperi pe secundă). Expunerea este un parametru care, ca și intensitatea, caracterizează numărul de raze emise de tubul cu raze X. Singura diferență este că expunerea ia în considerare și timpul de funcționare al tubului (de exemplu, dacă tubul funcționează timp de 0,01 secunde, atunci numărul de raze va fi unul, iar dacă 0,02 secunde, atunci numărul de raze va fi diferit - de două ori mai mult). Expunerea la radiații este stabilită de radiolog pe panoul de control al aparatului cu raze X, în funcție de tipul de examinare, de dimensiunea obiectului examinat și de sarcina de diagnosticare.

Rigiditate- caracteristicile calitative ale radiaţiilor cu raze X. Se măsoară prin mărimea tensiunii înalte de pe tub - în kilovolți. Determină puterea de penetrare a razelor X. Este reglat de tensiunea înaltă furnizată tubului cu raze X de un transformator step-up. Cu cât se creează diferența de potențial mai mare între electrozii tubului, cu atât electronii sunt respinși de la catod și se îndreaptă spre anod, cu atât mai puternică ciocnirea lor cu anodul. Cu cât ciocnirea lor este mai puternică, cu atât lungimea de undă a radiației X rezultată este mai mică și capacitatea de penetrare a acestei unde este mai mare (sau duritatea radiației, care, ca și intensitatea, este reglată pe panoul de comandă de parametrul de tensiune de pe tubul - kilovoltaj).

Orez. 7 - Dependența lungimii de undă de energia valurilor:

λ - lungimea de undă;
E - energia valurilor

• Cu cât energia cinetică a electronilor în mișcare este mai mare, cu atât impactul lor asupra anodului este mai puternic și lungimea de undă a radiației X rezultată este mai mică. Radiația de raze X cu o lungime de undă mare și putere de penetrare scăzută este numită „moale”; radiația de raze X cu o lungime de undă scurtă și putere de penetrare mare se numește „dure”.

Orez. 8 - Relația dintre tensiunea de pe tubul de raze X și lungimea de undă a radiației de raze X rezultate:

• Cu cât tensiunea este mai mare pe polii tubului, cu atât diferența de potențial apare mai puternică peste ei, prin urmare, energia cinetică a electronilor în mișcare va fi mai mare. Tensiunea de pe tub determină viteza electronilor și forța de coliziune a acestora cu substanța anodică; prin urmare, tensiunea determină lungimea de undă a radiației X rezultate.

Clasificarea tuburilor cu raze X

1. După scop
1. Diagnostic
2. Terapeutic
3. Pentru analiza structurală
4. Pentru translucide
2. De proiectare
1. Prin focalizare

• Focalizare unică (o spirală pe catod și un punct focal pe anod)
• Bifocal (există două spirale de dimensiuni diferite pe catod și două puncte focale pe anod)

1. După tipul anodului

• Staționar (fix)
• Rotire

Razele X sunt folosite nu numai în scopuri de diagnostic cu raze X, ci și în scopuri terapeutice. După cum sa menționat mai sus, capacitatea radiațiilor X de a suprima creșterea celulelor tumorale face posibilă utilizarea acesteia în terapia cu radiații pentru cancer. Pe lângă domeniul medical de aplicare, radiațiile cu raze X și-au găsit o largă aplicație în inginerie, știința materialelor, cristalografie, chimie și biochimie: de exemplu, este posibil să se identifice defecte structurale în diverse produse (șine, suduri etc.) folosind radiații cu raze X. Acest tip de cercetare se numește detectarea defectelor. Și în aeroporturi, gări și alte locuri aglomerate, introscoapele de televiziune cu raze X sunt utilizate în mod activ pentru a scana bagajele de mână și bagajele din motive de securitate.

În funcție de tipul de anod, tuburile cu raze X variază ca design. Datorită faptului că 99% din energia cinetică a electronilor este convertită în energie termică, în timpul funcționării tubului, are loc o încălzire semnificativă a anodului - ținta sensibilă de wolfram arde adesea. Anodul este răcit în tuburi moderne de raze X prin rotirea acestuia. Anodul rotativ are forma unui disc, care distribuie uniform căldura pe toată suprafața sa, prevenind supraîncălzirea locală a țintei de tungsten.

Designul tuburilor cu raze X diferă și în ceea ce privește focalizarea. Punctul focal este zona anodului în care este generat fasciculul de raze X de lucru. Împărțit în punct focal real și punct focal eficient ( orez. 12). Deoarece anodul este înclinat, punctul focal efectiv este mai mic decât cel real. Sunt utilizate diferite dimensiuni ale punctelor focale, în funcție de dimensiunea zonei imaginii. Cu cât zona imaginii este mai mare, cu atât punctul focal trebuie să fie mai larg pentru a acoperi întreaga zonă a imaginii. Cu toate acestea, un punct focal mai mic produce o claritate mai bună a imaginii. Prin urmare, atunci când se produc imagini mici, se folosește un filament scurt, iar electronii sunt direcționați către o zonă țintă mică a anodului, creând un punct focal mai mic.

Orez. 9 - Tub cu raze X cu un anod staționar.
Orez. 10 - Tub cu raze X cu anod rotativ.
Orez. 11 - Dispozitiv cu tub cu raze X cu anod rotativ.
Orez. 12 este o diagramă a formării unui punct focal real și eficient.

Radiația cu raze X, din punct de vedere al fizicii, este radiație electromagnetică, a cărei lungime de undă variază în intervalul de la 0,001 la 50 nanometri. A fost descoperit în 1895 de către fizicianul german V.K. Roentgen.

Prin natura lor, aceste raze sunt legate de radiația ultravioletă solară. Undele radio sunt cele mai lungi din spectru. În spatele lor vine lumina infraroșie, pe care ochii noștri nu o percep, dar o simțim ca căldură. Urmează razele de la roșu la violet. Apoi - ultraviolete (A, B și C). Și imediat în spatele ei sunt razele X și radiațiile gamma.

Razele X pot fi obținute în două moduri: prin decelerația particulelor încărcate care trec printr-o substanță și prin trecerea electronilor de la straturile superioare la cele interne atunci când este eliberată energie.

Spre deosebire de lumina vizibilă, aceste raze sunt foarte lungi, astfel încât sunt capabile să pătrundă în materialele opace fără a fi reflectate, refractate sau acumulate în ele.

Bremsstrahlung este mai ușor de obținut. Particulele încărcate emit radiații electromagnetice la frânare. Cu cât accelerația acestor particule este mai mare și, prin urmare, cu cât decelerația este mai accentuată, cu atât se produce mai multă radiație de raze X, iar lungimea undelor sale devine mai scurtă. În cele mai multe cazuri, în practică, ele recurg la producerea de raze în timpul decelerației electronilor din solide. Acest lucru permite controlarea sursei acestei radiații fără pericolul expunerii la radiații, deoarece atunci când sursa este oprită, radiația cu raze X dispare complet.

Cea mai comună sursă de astfel de radiații este aceea că radiația emisă de aceasta este neomogenă. Conține atât radiații moi (unde lungi) cât și dure (unde scurte). Radiația moale se caracterizează prin faptul că este complet absorbită de corpul uman, astfel încât o astfel de radiație cu raze X provoacă daune de două ori mai mult decât radiațiile dure. Când este expusă la radiații electromagnetice excesive în țesutul uman, ionizarea poate provoca deteriorarea celulelor și ADN-ului.

Tubul are doi electrozi - un catod negativ și un anod pozitiv. Când catodul este încălzit, electronii se evaporă din el, apoi sunt accelerați într-un câmp electric. Când se confruntă cu substanța solidă a anozilor, aceștia încep să decelereze, ceea ce este însoțit de emisia de radiații electromagnetice.

Radiațiile cu raze X, ale căror proprietăți sunt utilizate pe scară largă în medicină, se bazează pe obținerea unei imagini în umbră a obiectului studiat pe un ecran sensibil. Dacă organul diagnosticat este iluminat cu un fascicul de raze paralel unul cu celălalt, atunci proiecția umbrelor din acest organ va fi transmisă fără distorsiuni (proporțional). În practică, sursa de radiații seamănă mai mult cu o sursă punctuală, așa că este plasată la distanță de persoană și de ecran.

Pentru a-l obține, o persoană este plasată între tubul cu raze X și un ecran sau film care acționează ca receptori de radiații. Ca urmare a iradierii, oasele și alte țesuturi dense apar în imagine ca umbre evidente, apărând în mai mult contrast pe fundalul unor zone mai puțin expresive care transportă țesuturi cu mai puțină absorbție. La radiografii, persoana devine „translucidă”.

Pe măsură ce razele X se răspândesc, acestea pot fi împrăștiate și absorbite. Razele pot călători sute de metri în aer înainte de a fi absorbite. În materie densă sunt absorbite mult mai repede. Țesuturile biologice umane sunt eterogene, astfel încât absorbția lor a razelor depinde de densitatea țesutului organului. absoarbe razele mai repede decât țesutul moale deoarece conține substanțe cu număr atomic ridicat. Fotonii (particule individuale de raze) sunt absorbiți de diferite țesuturi ale corpului uman în moduri diferite, ceea ce face posibilă obținerea unei imagini de contrast cu ajutorul razelor X.

Scurte caracteristici ale radiațiilor X

Radiația de raze X este unde electromagnetice (un flux de cuante, fotoni), a căror energie este situată pe scara de energie dintre radiația ultravioletă și radiația gamma (Fig. 2-1). Fotonii cu raze X au energii de la 100 eV la 250 keV, ceea ce corespunde unei radiații cu o frecvență de la 3×10 16 Hz la 6×10 19 Hz și o lungime de undă de 0,005-10 nm. Spectrele electromagnetice ale razelor X și ale radiațiilor gamma se suprapun în mare măsură.

Orez. 2-1. Scala de radiații electromagnetice

Principala diferență dintre aceste două tipuri de radiații este modul în care sunt generate. Razele X sunt produse cu participarea electronilor (de exemplu, când fluxul lor este încetinit), iar razele gamma sunt produse în timpul dezintegrarii radioactive a nucleelor ​​anumitor elemente.

Razele X pot fi generate atunci când un flux accelerat de particule încărcate încetinește (așa-numita bremsstrahlung) sau când au loc tranziții de energie înaltă în învelișurile de electroni ale atomilor (radiație caracteristică). Dispozitivele medicale folosesc tuburi cu raze X pentru a genera raze X (Figura 2-2). Componentele lor principale sunt un catod și un anod masiv. Electronii emiși din cauza diferenței de potențial electric dintre anod și catod sunt accelerați, ajung la anod și sunt decelerati atunci când se ciocnesc cu materialul. Ca urmare, apare bremsstrahlung cu raze X. În timpul ciocnirii electronilor cu anodul, are loc și un al doilea proces - electronii sunt scoși din învelișurile de electroni ale atomilor anodului. Locurile lor sunt ocupate de electronii din alte învelișuri ale atomului. În timpul acestui proces, se generează un al doilea tip de radiație cu raze X - așa-numita radiație cu raze X caracteristice, al cărei spectru depinde în mare măsură de materialul anodului. Anozii sunt cel mai adesea fabricați din molibden sau wolfram. Sunt disponibile dispozitive speciale pentru focalizarea și filtrarea razelor X pentru a îmbunătăți imaginile rezultate.

Orez. 2-2. Diagrama dispozitivului cu tub cu raze X:

Proprietățile razelor X care predetermină utilizarea lor în medicină sunt capacitatea de penetrare, efectele fluorescente și fotochimice. Capacitatea de penetrare a razelor X și absorbția lor de către țesuturile corpului uman și materialele artificiale sunt cele mai importante proprietăți care determină utilizarea lor în diagnosticarea radiațiilor. Cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât puterea de penetrare a razelor X este mai mare.

Există raze X „moale” cu energie și frecvență scăzută de radiație (în funcție de cea mai mare lungime de undă) și raze X „dure” cu energie fotonică și frecvență de radiație mare și o lungime de undă scurtă. Lungimea de undă a radiației cu raze X (respectiv „duritatea” și puterea sa de penetrare) depinde de tensiunea aplicată tubului de raze X. Cu cât tensiunea pe tub este mai mare, cu atât viteza și energia fluxului de electroni sunt mai mari și lungimea de undă a razelor X este mai mică.

Când radiația de raze X care pătrunde printr-o substanță interacționează, în aceasta au loc modificări calitative și cantitative. Gradul de absorbție a razelor X de către țesuturi variază și este determinat de densitatea și greutatea atomică a elementelor care alcătuiesc obiectul. Cu cât este mai mare densitatea și greutatea atomică a substanței care alcătuiește obiectul (organul) studiat, cu atât mai multe raze X sunt absorbite. Corpul uman conține țesuturi și organe de diferite densități (plămâni, oase, țesuturi moi etc.), acest lucru explică absorbția diferită a razelor X. Vizualizarea organelor și structurilor interne se bazează pe diferențele artificiale sau naturale în absorbția razelor X de către diferite organe și țesuturi.

Pentru a înregistra radiația care trece printr-un corp, se folosește capacitatea sa de a provoca fluorescența anumitor compuși și de a avea un efect fotochimic asupra peliculei. În acest scop se folosesc ecrane speciale pentru fluoroscopie și filme fotografice pentru radiografie. În aparatele moderne cu raze X, sisteme speciale de detectoare electronice digitale - panouri electronice digitale - sunt folosite pentru a înregistra radiațiile atenuate. În acest caz, metodele cu raze X sunt numite digitale.

Datorită efectelor biologice ale razelor X, este extrem de important să se protejeze pacienții în timpul examinării. Acest lucru este realizat

timp de expunere cât mai scurt, înlocuirea fluoroscopia cu radiografie, utilizarea strict justificată a metodelor ionizante, protecția prin protejarea pacientului și a personalului de expunerea la radiații.

Scurtă descriere a radiațiilor cu raze X - concept și tipuri. Clasificarea și caracteristicile categoriei „Scurte caracteristici ale radiației cu raze X” 2017, 2018.